Cours 1 - Master 2 LSE Jalil Boukhobza Université de Bretagne Occidentale Lab-STICC. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 1

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1 Cours 1 - Master 2 LSE Jalil Boukhobza Université de Bretagne Occidentale Lab-STICC J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 1

2 Ce cours Contient 24 séances de 2h: Des cours (au moins 8) Des TPs (plus de 10) Pas de TDs Evaluation: Contrôle continu (1/2) Exposé Projet TP Examen final (1/2) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 2

3 Contenu du cours Cours: TP Revoir toutes (la plupart) les fonctionnalités des OS: Plus en détails En se focalisant sur ce qui est spécifique à l embarqué Etude de cas: Linux embarqué (+1 autre OS) Etude approfondie du système Linux (une partie) Compilation de noyau Linux pour l embarqué Manipulation des outils permettant de s y faire Projet autour de Linux embarqué J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 3

4 Qu est ce qu un système embarqué Ébauche d une définition: c est un système électronique et informatique autonome qui est dédié à une tâche particulière et contenue dans un système englobant. Il n est «généralement» pas programmable. Pas d E/S standards Matériel et application intimement liés Logiciel enfoui noyé dans le matériel pas facilement discernable comme dans un PC. Il sont partout!!! Radio/réveil Machine à café Télévision / télécommande Moyen de transport (voiture : à foison!) Téléphone portable. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 4

5 Caractéristiques principales d un système embarqué Système principalement numérique Met généralement en œuvre un processeur Exécute une application logicielle dédiée précise (non pas une application scientifique ou grand public tend à être moins vrai) Il n a pas réellement de clavier standard et l affichage est limité Ce ne sont pas des PC, mais des architectures similaires (x86) basse consommation (l une des contraintes ). J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 5

6 L embarqué en quelques chiffres En 1999, il a été vendu (dans le domaine de l embarqué): 1,3 milliards de processeurs 4 bits 1,4 milliards de processeurs 8 bits 375 millions de processeurs 16 bits 127 millions de processeurs 32 bits 3,2 millions de processeurs 64 bits. Il a été vendu 108 millions de processeurs pour le marché du PC En 2004: 14 milliards de processeurs pour l embarqué (microprocesseur, microcontrôleur, DSP, etc.) 260 millions de processeurs PC. Moins de 2% (5%) des processeurs vendu sont pour les PC, 98% (95%) pour l embarqué Prix moyen d un processeur 6$ (2004) alors qu un processeur PC coute 300$. Le marché du processeur PC est de très faible volume mais très lucratif J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 6

7 Sondage VDC research 2009 Architectures utilisées dans les projets (sondage) 37,4% : processeurs 8 bits 28,8%: processeurs 16 bits 64,4%: processeurs 32 bits 5,4%: processeurs 64 bits. 3,2% autres. Source: J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 7

8 Champs d application: 1. Calcul généraliste 4 grandes classes Similaire aux applications bureau mais embarqué (assistant personnel, téléphone portable, tablettes, etc.) Consoles de jeux vidéo, set-top box 2. Contrôle de systèmes Moteur, voiture, avion, processus chimique, nucléaire, navigation, etc. 3. Traitement du signal Compression vidéo, radar, flux de données, etc. 4. Réseaux et communications Transmission de données, commutation, routage, téléphone, Internet, etc. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 8

9 Exemples de systèmes embarqués Grand public : Appareils photographiques et caméras, lecteurs DVD, chauffage et climatisation, éclairage, électroménager, domotique, sécurité (incendie, intrusion, surveillance, piscine), ascenseurs, HiFi, audio et vidéo, consoles de jeux, décodeurs, etc. Transports : Automobile, aéronautique, spatial, marine, assistance à la conduite ou au pilotage, maintenance, signalisation, contrôle du trafic aérien, maritime (aujourd hui aide, demain automatique, objectif trafic autoroutier), distributeur de billets, radar, etc. Défense : Contrôle de trajectoire, lanceur, etc. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 9

10 Exemples de systèmes embarqués (2) Secteur manufacturier et industrie : Chaînes de production, automates, production et distribution d électricité, réacteurs chimiques, réacteurs nucléaires, raffineries, dispositifs de sécurité, aide à la maintenance, etc. Information et communication : Imprimante, périphérique, téléphone, répondeur, fax, routeurs, téléphonie mobile, satellites, GPS, etc. Santé : Imagerie médicale, diagnostique, soins, implants, handicapés, etc. Autres : Carte à puce, distributeurs, etc. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 10

11 Système embarqué typique Couche logicielle FPGA/ ASIC/DSP Mémoire(s) détecteur Conversion A/N CPU Conversion N/A Actionneur Interface humaine Port de diagnostic Système auxiliaire Environnement extérieur J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 11

12 Système embarqué typique (2) Capteurs (interrupteurs, etc.) couplés à des convertisseurs analogique/numérique. Actionneurs (LED, etc.) couplés à des convertisseurs numérique/analogique. Calculateur (processeur embarqué et ses E/S). Possibilité d avoir un/des FPGAs et/ou ASICs et/ou DSP pour jouer le rôle de coprocesseurs (accélération matérielle) Les systèmes embarqués doivent prendre en compte: Variation des températures Vibrations et chocs Variations des alimentations Interférences RF Corrosion Eau, feu, radiation J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 12

13 Quelques propriétés des systèmes embarqués Ciblé: domaine d action limité aux fonctions pour lesquelles il a été crée. Simple: gage de robustesse Fiable: fonctionnement complètement autonome. Sécurisé Maintenable dans le temps: certains produits sont censés durer jusqu à 20 ans et plus (surtout dans le domaine militaire) Interface spécifique: approche matérielle à cause de contraintes d optimisation Optimisé: généralement logicielles de petite taille car plus c est grand, plus il y a de chance d avoir des bugs. Ce sont des logiciels produits à grande échelle, le moindre centime compte. Tolérant aux fautes J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 13

14 Métriques des systèmes embarqués Puissance de calcul: sélection du processeur d après la charge de travail à effectuer et d après la largeur des registres. Débit: le système peut avoir besoin de prendre en charge plusieurs données en même temps. Temps de réponse: le système doit réagir vite Mémoire: l estimation la plus précise possible de l utilisation mémoire Consommation d énergie: la conception hw ET sw doit prendre en compte la conso Nombre d unités produites dicte le compromis entre prix de production et prix de développement Durée de vie est un paramètre important lors de la décision des composants à inclure Installation du programme requiert des outils spécifiques Testabilité et débogage plus dur sans E/S de type clavier, etc. Fiabilité est un paramètre critique ex: système ABS J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 14

15 Logiciel/matériel embarqué Logiciel embarqué: programme/application utilisé dans un équipement et complètement intégré dans ce dernier. Système embarqué: Matériel(s) + logiciel(s) (+ OS) 2 types de systèmes embarqués (UNE classification): 1. Systèmes embarqués destinés à l utilisateur (high-end): généralement une version dégradée d un OS existant (ex: Linux). Ex: routeurs, PDA, smartphone, etc. 2. Systèmes embarqués profondément enfouis: peu de fonctions, très petite empreinte mémoire, généralement construit from scratch. Appareil photo numérique, téléphones portables, etc. Différences avec les «machines normales»: Prix (production de masse) Performance Consommation (contrainte de consommation batterie) Simplifier l architecture Réduire la vitesse d horloge Réduire l utilisation mémoire J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 15

16 Système d exploitation pour l embarqué? Les systèmes d exploitation permettent: De gérer les ressources matérielles en assurant leurs partages entre les différents utilisateurs. De présenter une interface homogène et générique (en abstrayant la complexité matérielle) mieux adaptée aux utilisateurs. Pourquoi un système d exploitation pour l embarqué? Affranchir le développeur de logiciel embarqué de bien connaître le matériel gain en temps de développement Les applications doivent avoir un accès aux services de l OS via des APIs (réutilisabilité du code, interopérabilité, portabilité, maintenance aisée) Possibilité de bénéficier des mêmes avancées technologiques que les applications classiques (TCP/IP, HTTP, etc.) Environnement de développement plus performant Time-to-market J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 16

17 Système d exploitation pour l embarqué (2) 1. Contrôle de processus sans (ou à faible) contrainte temporelle systèmes à temps partagé Garantir le partage équitable du temps et des ressources 2. Contrôle de processus avec contrainte temps réel systèmes temps réel Garantir les temps de réponse Systèmes à contraintes souples/molles: systèmes acceptant des variations minimes de temps de réponse (systèmes multimédias) Systèmes à contraintes dures: gestion stricte du temps pour conserver l intégrité du système (déterminisme logique et temporel et fiabilité) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 17

18 Les latences Définition: différence entre le moment où une tâche doit débuter (ou finir) et le moment ou elle débute réellement. Elles sont dues: Aux propriétés temporelles des processeurs, des bus mémoire et d autres périphériques Aux propriétés des politiques d ordonnancement À la préemptivité du noyau À la charge du système Au changement de contexte J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 18

19 Les latences (2) Tâches introduisant de «l indeterminisme» temporel : Accès disque: technologie mécanique, géométrie différente d un disque à l autre. Accès au réseau: retransmissions en cas d erreur Résolution basse du timer Pilotes de périphérique non temps réel: utilisation d attente active et de période de sommeil peu précise. Allocation et gestion de la mémoire: mémoire virtuelle /swap non prédictible. Système de fichiers virtuel /proc: tout ce qui se passe dans le système création à la volée. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 19

20 Récapitulatif Critères Temps partagé Temps réel But Maximiser la capacité de traitement (débit) & utilisation des ressources Etre prévisible (garantir les temps de réponse) Temps de réponse Bon en moyenne Bon dans le pire des cas / moyenne non importante Comportement à la charge Confortable à l utilisateur Stabilité et respect des contraintes de temps J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 20

21 Logiciel libre et systèmes embarqués Contrairement aux logiciels classiques, les (plusieurs) logiciels embarqués ont (généralement) une durée de vie particulièrement longue important de faire évoluer le logiciel indépendamment des aléas économiques. Contraintes des systèmes propriétaires: Sociétés de taille moyenne ont du mal à suivre l évolution technologique. Outils de développement sont moins accessibles, la compétence est donc plus chère à obtenir. Logiciels libres: plusieurs critères (disponibles sur les principaux sont: La disponibilité du code source La possibilité de réaliser des travaux dérivés La redistribution sans royalties Contrainte majeure: SAV sur le long terme + obligation de redistribuer le code J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 21

22 Mais qu est ce que l Open source? 1. Libre redistribution: en tant que composant d une distribution pas de «droit d auteur». 2. Inclusion du code source: code source doit être accessible sans frais supplémentaires. 3. Autorisation de travaux dérivés: modification et travaux dérivés et leur redistribution 4. Intégrité du code source de l utilisateur 5. Pas de discrimination entre les personnes ou les groupes 6. Pas de discrimination entre les domaines d applications. 7. Distribution systématique de la licence 8. La licence ne doit pas être spécifique à un produit 9. La licence ne doit pas contaminer d autres logiciels 10. La licence doit être technologiquement neutre J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 22

23 Logiciels libres Initié par Richard M. Stallman (M.I.T) entre Naissance de GNU (Gnu is Not Unix!) dont le but était de créer un OS. Mise en place d un nouveau type de licence: GPL (General Public Licence) principe de copyleft par opposition au copyright LGPL (Lesser GPL): originellement Library GPL similaire au GPL sur les points suivants: Le copyleft: interdit de s approprier le code distribué sous GPL ou LGPL Disponibilité des corrections Différences avec le GPL: permet d effectuer une édition des liens de code propriétaire avec les bibliothèques permet la disponibilité sous Linux d applications propriétaires qui utilisent des bibliothèques LGPL indispensables comme glibc J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 23

24 Tour d horizon des OS embarqués VxWorks et psos: (WindRiver) Noyau temps réel le plus utilisé dans l industrie Inclut en natif un support TCP/IP Coût important de la licence Utilisation d un environnement de compilation croisée QNX: (QNX) Noyau temps réel de type UNIX (conforme à POSIX) Gratuit pour des applications non commerciales Développement direct sur la plateforme cible Très faible empreinte mémoire µc/os (Micrium): (ucosii ou III) Environnement de très petite taille (microcontrolleur 68HC11) Utilisable gratuitement pour l enseignement/recherche. Peut intégrer des protocoles standards Mars Reconnaissance Orbiter Tablet BlackBerry J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 24

25 Tour d horizon des OS embarqués (2) Windows CE : (Microsoft) Cantonné à l équipement de nombreux assistants personnels et téléphone (actuellement Nokia en remplacement de Symbian OS) Nucleus (Mentor Graphics) Noyau temps réel; couche TCP/IP; interface graphique, serveur http, etc. (open source) ecos: embeddable Configurable OS (Cygnus puis RedHat) Temps réel, bien adapté aux très faibles empreintes mémoire. Disponibilité des protocoles standards (TCP/IP, etc.) Basé sur Linux et la chaîne de compilation GNU Conforme à la norme POSIX J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 25

26 Y a un «OS»? Jim Turley (2006) Source: Source:Richard Nass (2008) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 26

27 Des chiffres, des chiffres Source:Richard Nass (2008) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 27

28 Tendance des (RT)OS encore des chiffres!! Source: Operating systems on the rise, Jim Turley Embedded Systems Design (06/21/06, 09:00:00 AM EDT) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 28

29 Rapport VDC Research 2009 J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 29

30 Les architectures des systèmes d exploitation Plusieurs structures différentes: 1. OS Monolithique (plus ancien): Simple/ne consomme pas beaucoup de ressources Convient aux «petits systèmes» ou quelques portions de systèmes temps réel complexe OS entièrement en mode privilégié L application utilise un appel système pour accéder aux services de l OS procédure exécutée Gestion de l interruption : optimisée car pas de changement de contexte entier (prioritaire car l ordonnanceur est désactivé) Impossible de mettre à jour l application «à chaud» (remplacement + reboot) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 30

31 OS Monolithiques Structure de base: Un programme principal qui invoque la procédure du service Un ensemble de procédures de services qui gèrent les appels système Un ensemble de procédures utilitaires auxiliaires des précédentes Vielles version d UNIX (FreeBSD, SOLARIS), DOS. Application Procédure principale Procédures de service Hardware Procédures auxiliaires J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 31

32 OS Monolithique (exemple: UNIX) Application Application Application Application API Système de fichiers Gestion de mémoire Pilotes de périphériques Gestion de processus Protection Démarrage et initialisation Gestionnaire d interruptions Couche d abstraction matérielle (HAL) Support réseau noyau Matériel J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 32

33 OS Monolithiques: avantages/inconvénients De meilleures performances Vite développé Évolution: chargement dynamique (et donc sélectif) des modules Extension difficile Code non modulaire Très complexe Code massif Plus c est gros, moins c est performant! Nid de bugs Peu fiable (un bug redémarrage) Premières versions à chargement statique 400 périphériques supportés 400 périphériques chargés au démarrage!!!!!!!! J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 33

34 Les architectures des systèmes d exploitation (2) 2. OS Multicouches OS organisé en hiérarchie de couches. Chacune construite sur la base des services offerts par la couche inférieure. Interface et gestion des interruptions similaire à celle des systèmes monolithiques. Meilleure structure et modularité maintenance plus aisée. Configuration plus fine (modularité) meilleure utilisation de la mémoire + performance. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 34

35 Abstraction OS multicouches (exemple) Couche 5: le processus opérateur ou utilisateur. Couche 4: contient les programmes utilisateur, les notions de processus, mémoire, console leurs sont abstraites. Couche 3: périph d E/S et mise en mémoire tampon des flots d E/S. Au dessus, les processus travaillaient sur une couche abstraite. Couche 2: gestion de la communication entre processus et la console opérateur. Dans la couche précédente, chaque processus avait sa propre console opérateur/utilisateur Couche 1: Allocation de mémoire dans la mémoire principale. Au dessus, les processus ignoraient les emplacements mémoire. Couche 0: fournit le service de multiprogrammation. Dans la première couche, c était un ensemble de processus séquentiels indépendants. Structure de l OS THE (Technische Hogescool Eindhoven), Dijkstra 1968 Couche Fonction 5 Opérateur/Utilisateur 4 Programmes utilisateur 3 Gestion des E/S 2 Communication opérateurprocessus (OS/console) 1 Gestion de la mémoire et du tampon 0 Allocation du processeurmultiprogammation J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 35

36 OS Multicouches: avantages/inconvénients Facile à étendre (plus structuré) Modèle simple Traverser les différentes couches peut être couteux La multiplication des couches peut ne pas être nécessaire. Performances moins bonnes (vs monolithique) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 36

37 Les architectures des systèmes d exploitation (3) 3. OS Micronoyau Déplace plusieurs fonctions de l OS vers des «processus serveurs» s exécutant en mode utilisateur réduction au maximum de la taille du code privilégié. Gérer les communications entre applications et serveurs pour: Renforcer la politique de sécurité Permettre l exécution de fonctions système (accès aux registres d E/S, etc.). Fiabilité augmentée: si un processus serveur «crash», le système continue à fonctionner et il est possible de relancer ce service sans redémarrer. Modèle facilement étendu à des systèmes distribués (efficacité?). Gestion de l interruption: commutation de tâche moins efficace que le modèle monolithique. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 37

38 OS Micronoyau Processus client Processus client Processus serveur Serveur de terminaux Serveur de fichiers Serveur de mémoire Mode utilisateur Micronoyau Mode noyau Source: «Systèmes d exploitation», Andrew Tanenbaum, 2 ème édition, Pearson Education 2001 Le noyau gèrent les communications entre clients et serveurs. Certains services sont impossibles à exécuter en mode utilisateur (pilotes de périphériques d E/S): Garder certains processus serveur critiques en mode noyau Garder une partie du mécanisme en mode noyau en laissant le choix des politiques aux serveurs en mode utilisateur. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 38

39 OS micronoyau Machine 1 Machine 2 Machine 3 Machine 4 Machine n Processus client Processus client Processus serveur Serveur de terminaux Serveur de fichiers noyau noyau noyau noyau noyau Si le client communique avec le serveur par envoi de messages, il lui importe peu que le serveur soit local ou distant, le résultat (logique) est le même d où l adaptabilité aux systèmes distribués Exemples: Windows NT, Mach, Chorus, QNX. Source: «Systèmes d exploitation», Andrew Tanenbaum, 2 ème édition, Pearson Education 2001 J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 39

40 OS Micronoyaux: avantages/inconvénients Extensibilité Minimise le code du noyau Sécurité: Un serveur (mode utilisateur) crashe, il sera le seul à redémarrer Fiabilité Micronoyau: code plus petit moins de bugs Souvent tenté de rajouter des choses dans le noyau (vu qu il est petit ) Mauvaises performances Requière beaucoup de prudence lors de la conception J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 40

41 Les architectures des systèmes d exploitation (4) 4. OS Machine virtuelle L OS doit remplir 2 fonctions: Multi programmation moniteur de machine virtuelle Mode privilégié (exécution) Plusieurs processeurs virtuels Services système système invité Un ou plusieurs OS «invités» qui s exécutent sur les processeurs virtuels et fournissent les services système. Le moniteur de machine virtuelle (hyperviseur) intercepte les instructions privilégiées envoyées par l OS invité, les vérifie (politique de sécurité) et les exécute sur l OS invité. Les interruptions sont aussi interceptées par le moniteur de la MV J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 41

42 OS machine virtuelle 2 types: MV native MV invité Exemple de ce type d OS: XEN, VMWare, IBM VM/370, QEMU, VirtualBox, etc. Application Application Application Application Application Application Système d exploitation invité Application Application Système d exploitation invité Système d exploitation invité Système d exploitation invité Moniteur de machine virtuelle Moniteur de machine virtuelle Couche matériel Système d exploitation hôte Couche matériel VM native VM invité J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 42

43 OS machine virtuelle: avantages/inconvénients Permet l exécution de plusieurs OS sur une seule machine Permet une bonne portabilité des applications Une protection complète (code exécute en mode privilégié complètement géré) Bon environnement de développement (dev système en mode utilisateur ) Gros problème de performances (plusieurs couches) Manque de flexibilité J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 43

44 Les normes des systèmes d exploitation POSIX (Portable Operating System Interface): standard pour les appels de fonction (API) pour les OS UNIX-like. Il existe quelques spécifications pour des primitives temps réels. Plusieurs profils pour le temps réel: 1. PSE51: profile de système temps réel minimaliste : 1 seul processus POSIX pouvant exécuter plusieurs threads POSIX pouvant utiliser le passage de messages POSIX pour communiquer avec d autres systèmes PS5x Hw: 1 seul processeur avec sa mémoire, pas de MMU et d E/S standard. 2. PSE52: profile de système de contrôleur temps réel: PSE51+support pour un système de fichiers + E/S asynchrones 3. PSE53: profile de système temps réel dédié: PSE51+support multiprocessus(+mmu) 4. PSE54: profile de système temps réel polyvalent: englobe les autres profils. Il consiste de POSIX.1, POSIX.1b, POSIX.1c, et/ou POSIX.5b Exemple: RTLinux se réclame du profil PSE51 alors qu RTAI ne réclame rien du tout. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 44

45 Les profils POSIX Source J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 45

46 Autres standards UNIX98: normalisation de l OS UNIX. Cette norme incorpore plusieurs des normes de POSIX EL/IX: API pour les systèmes embarqués. Se veut un sous ensemble des normes POSIX et ANSI. ITRON: norme japonaise pour les systèmes embarqués OSEK: norme allemande pour une architecture ouverte reliant les divers contrôleurs électroniques d un véhicule. RT Spec pour Java: spécification pour un runtime qui édicte des prescriptions (ramasse miettes, certaines politiques d ordonnancement, etc.) Ada95: ex: MarteOS, OpenRavenscar. RT Corba: un ensemble de spécification temps réel J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 46

47 Services des systèmes d exploitation Gestion des tâches Ordonnancement Gestion des interruptions Communication inter-processus et synchronisation Gestion de la mémoire Entrées/Sorties et pilotes de périphériques Systèmes de fichiers Protocoles de communication. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 47

48 Principes de base des tâches Processus et Threads Processus: l activité qui exécute un programme incluant: Le code source Les données L état du processeur Chaque processus a son propre espace d adressage Gestion de la création, suppression, changement de priorité, contraintes temporelles, besoins mémoire, etc. Concept de thread utilisateur, noyau, etc. Les «petits» OS pour l embarqué utilisent seulement les threads (executifs) alors que les «gros» OS peuvent utiliser plusieurs modèles processus/threads. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 48

49 Processus et Thread (2) Création de processus et de threads: Statique: toutes les tâches sont connues à l avance il n est pas possible d en créer pendant que le système tourne. Dynamique: appels système permettant de créer et détruire des tâches à la volée: Système plus flexible Plus de complexité (allocation dynamique, gestion d erreurs) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 49

50 Ordonnancement Entité qui décide quelle tâche doit exécuter le processeur. Compromis entre la prédictibilité temps réel, complexité d implémentation, et délai d exécution. RTOS (Real Time OS) supportent plusieurs politiques d ordonnancement, le choix incombe (parfois) au programmeur: FIFO avec priorité (statique) Date limite la plus proche (priorité dynamique) performant (uniprocesseur), couteux en temps de calcul Serveur sporadique (perte de priorité en fonction du temps processeur consommé). J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 50

51 Gestion d interruption Gestion de plusieurs périphériques: minuterie (timer), moteurs, capteurs, disques, etc. Requêtes asynchrones signalées par des interruptions 2 types d interruptions: Interruptions matérielles Interruptions logicielles Le code exécuté lors d une interruption est dicté par le CPU à l aide du vecteur d interruption. Mais l OS intervient pour: Connecter une adresse mémoire à chaque ligne d interruption Que faut-il faire après avoir servi une interruption Gestion de l aspect temps réel. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 51

52 Communication & Synchronisation Inter Processus Sémaphores: (Dijkstra 1965) Synchro à travers 2 opérations atomiques P et V. Bas niveau Exclusion mutuelle assurée par le programmeur Moniteurs (Hoare & Hansen 1974) Mécanisme de haut niveau Exclusion mutuelle assurée par le compilateur Passage de messages Transfert de données entre processus Mise en tampon des messages Rendez-vous J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 52

53 Gestion de la mémoire Allocation: Allouer à chaque tâche la mémoire dont elle a besoin Mapping: Faire la correspondance entre la mémoire physique et l adressage utilisé par les tâches. Protection: Etablir un ensemble de comportements à adopter lorsqu une tâche utilise de la mémoire non allouée. Implémentation des mécanismes permettant cette gestion. J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 53

54 Support Réseau Le standard POSIX socket: Accès uniforme à n importe quel mode/protocole de communication en réseau (domaine de communication + type de socket) Support réseau spécifique à un OS particulier: Plus de fonctionnalités (création de filtre de msg / spécification de l ordre de lecture des msg) Moins de réutilisabilité J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 54

55 Autres fonctions Signaux temps réel et asynchrones: gestion des événements imprévus (pannes sw ou hw) et dégradation des performances en cas de surcharge du processeur. Horloge et minuterie (timer) haute résolution: donner au processus temps réel une mesure juste du temps écoulé E/S asynchrones: découpler les processus temps réel de l imprévisibilité des périphériques d E/S J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 55

56 Compromis lors de la conception Espace noyau/espace utilisateur/espace temps réel. OS monolithique/multicouche ou micro-noyau Noyau préemptible ou non Scalabilité Gestion de mémoire / mémoire partagée Dédié / générique J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 56

57 Exposé à faire Etude d un système d exploitation pour l embarqué (temps réel ou pas) RTEMS(interdit aux étudiants ayant fait leur master1 à l UBO) un OS embarqué OpenSource (plus pratique pour savoir ce qu il y a dedans!) J.Boukhobza - Systèmes d'exploitation embarqués 57